电压传感器

伴随着城市人口和建设规模的扩大，各种用电设备的增多，用电量越来越大，城市的供电设备经常 超负荷运转，用电环境变得越来越恶劣，对电源的“考验”越来越严重。据统计，每天，用电设备都要遭受120次左右各种的电源问题的侵扰，电子设备故障的60%来自电源[7]。因此，电源问题的重要性日益凸显出来。原先作为配角，资金投入较少的电源越来越受到厂商和研究人员的重视，电源技术遂发展成为一门崭新的技术。

而今，小小的电源设备已经融合了越来越多的新技术。例如开关电源、硬开关、软开关、参数稳压、线性反馈稳压、磁放大器技术、数控调压、PWM、SPWM、电磁兼容等等。实际需求直接推动电源技术不断发展和进步，为了自动检测和显示电流，并在过流、过压等危害情况发生时具有自动保护功能和更高级的智能控制，具有传感检测、传感采样、传感保护的电源技术渐成趋势，检测电流或电压的传感器便应运而生并在中国开始受到广大电源设计者的青睐，本文主要介绍电压传感器。

ABB公司的电流传感器可以测量各种类型的电流，从直流电到几十千赫兹的交流电，其所依据的工作原理主要是霍尔效应，如图1所示。

当原边导线经过电流传感器时，原边电流IP会产生磁力线①，原边磁力线集中在磁芯②周围，内置在磁芯气隙中的霍尔电极③可产生和原边磁力线①成正比的大小仅几毫伏的电压，电子电路④可把这个微小的信号转变成副边电流IS⑤，并存在以下关系式：

⑴

其中，IS—副边电流；

IP—原边电流；

NP—原边线圈匝数；

NS—副边线圈匝数；

NP/NS—匝数比，一般取NP=1。

电流传感器的输出信号是副边电流IS，它与输入信号（原边电流IP）成正比，IS一般很小，只有100~400mA。如果输出电流经过测量电阻RM，则可以得到一个与原边电流成正比的大小为几伏的输出电压信号。

电压变送器 > A1双路直流电压高精度变送器

* 将被测双路共地直流电压隔离转换成按线性比例输出的双路标准直流电压；  

* 低功耗、可靠性高；  

* 优良的抗干扰能力和高精度性（0.2%）；  

* 电压拔插端子接入、标准导轨（35mm）安装；  

* 广泛应用于电力操作电源合母控母电压检测；  

* 体积小、外型尺寸(mm)：95(L)×37(W)×32(H)；

* 执行标准：IEC688：1992，QB/LF2007-1

* 输入范围：0~500V内可选 如0~110V，0~275V等

* 精度等级：≤0.2%.F.S

* 温度特性：≤50PPM/℃(0~50℃)

* 整机功耗：≤0.3VA

* 工作稳定性：年变化＜0.2%

* 隔离耐压：输入/输出/外壳间 AC2.0KV/min*1mA

* 绝缘电阻：≥20MΩ(DC500V)

* 冲击电压：5KV(峰值)，1.2/50uS

* 响应时间：≤30mS

* 过载能力：2倍电压连续

* 工作环境：-10℃~50℃，20%~90%无凝露

* 贮存环境：-40℃~70℃，20%~95%无凝露

* 将被测双路共地直流电压隔离转换成按线性比例输出的双路标准直流电压；

* 低功耗、可靠性高；

* 优良的抗干扰能力和高精度性（0.2%）；

* 电压拔插端子接入、标准导轨（35mm）安装；

* 广泛应用于电力操作电源合母控母电压检测；

* 体积小、外型尺寸(mm)：95(L)×37(W)×32(H)；

* 精度等级：≤0.2%.F.S

* 温度特性：≤50PPM/℃(0~50℃)

* 整机功耗：≤0.3VA

* 工作稳定性：年变化＜0.2%

* 隔离耐压：输入/输出/外壳间 AC2.0KV/min*1mA

* 绝缘电阻：≥20MΩ(DC500V)

* 冲击电压：5KV(峰值)，1.2/50uS

* 响应时间：≤30mS

* 过载能力：2倍电压连续

* 工作环境：-10℃~50℃，20%~90%无凝露

* 贮存环境：-40℃~70℃，20%~95%无凝露

* 注意产品标签上的辅助电源信息，变送器的辅助电源等级和极性不可接错，否则将损坏变送器；  

* 变送器为一体化结构，不可拆卸，同时应避免碰撞和跌落；  

* 变送器在有强磁干扰的环境中使用时，请注意输入线的屏蔽，输出信号应尽可能短。集中安装时，最小安装间隔不应小于10mm；  

* 本系列变送器内部未设置防雷击电路，当变送器输入、输出馈线暴露于室外恶劣气候环境之中时，应注意采取防雷措施；  

* 本产品采用阻燃ABS塑料外壳封装，外壳极限耐受温度为＋85℃，收到高温烘烤时会发生变形，影响产品性能。产品请勿在热源附近使用或保存，请勿把产品放进高温箱内烘烤；  

* 请勿损坏或者修改产品的标签、标志，请勿拆卸或改装变送器，否则本公司将不再对该产品提供"三包"（包换、包退、包修）服务。

电压传感器（voltage transducer ）定义

能感受被测电压并转换成可用输出信号的传感器

电压传感器（voltage transducer ）原理

霍尔原理:霍尔电压传感器是一种利用霍尔效应，将原边电压通过外置或内置电阻，将电流限制在10mA,此电流经过多匝绕组之后，经过聚磁材料将原边电流产生的磁场被气隙中的霍尔元件检测到，并感应出相应电动势，该电动势经过电路调整后反馈给补偿线圈进而补偿，该补偿线圈产生的磁通与原边电流（被测电压通过限流电阻产生）产生的磁通大小相等，方向相反，从而在磁芯中保持磁通为零。实际上霍尔电压传感器利用的是和磁平衡闭环霍尔电流传感器一样的技术，即零磁通霍尔电流传感器。

电压传感器（voltage transducer ）应用学科

机械工程，传感器，物理量传感器

电压传感器分为直流电压传感器和交流电压传感器

电压传感器（voltage transducer ）历史

在各国，传感技术、计算机技术与数字控制技术相比，传感技术的发展都落后于它们。从20世纪80年代起才开始重视传感技术的研究开发，不少先进的成果仍停留在研究实验阶段，转化率比较低。

XRDT深圳市信瑞达电压传感器在我国，60年代开始传感技术的研究开发，经过从"六五"到"九五"的国家攻关，在传感器研究开发、设计、制造、可靠性、应用性等获得进步，初步形成传感器研究、设计、生产和应用的体系，并在数码机床攻关中获得了一批可喜的、瞩目的发明专利与工况监控系统或仪器的成果。但总体上，它还不够满足我国经济与科技的迅速发展，不少传感器仍然依赖进口。

在国外传感器技术分两种路径：一种以美国为代表的走先军工后民用，先提高后普及。另一种是以日本为代表侧重实用化、商品化，先普及后提高。前种成本高，后种成本低，更快些。而我国虽在20世纪60年代就已经涉足传感器制作业，但现活跃在国际市场依然是德，日，美，俄等老牌工业国家。在这些国家，传感器应用范围广，生产规模化，生产能力能到达成千上亿只。相比，我国传感器应用范围窄，最大产值仅有几万只。而且，在高、精、尖传感器和新型传感器的市场，几乎被外企或合资垄断。

国外发展快有几方面原因:

1.非常重视传感器材料研究。2.对传感器技术十分重视。3.重视工艺研究。4.重视质量管理与市场研究。

IPN指电流传感器所能测试的标准额定值，用有效值表示（A.r.m.s），IPN的大小与传感器产品的型号有关。

ISN指电流传感器额定输出电流，一般为100~400mA，某些型号可能会有所不同。

VA指电流传感器的供电电压，它必须在传感器所规定的范围内。超过此范围，传感器不能正常工作或可靠性降

低，另外，传感器的供电电压VA又分为正极供电电压VA+和负极供电电压VA-。

测量范围指电流传感器可测量的最大电流值，测量范围一般高于标准额定值IPN。测量范围可用下式计算：

⑵

要注意单相供电的传感器，其供电电压VAmin是双相供电电压VAmin的2倍，所以其测量范围要高于双相供电的传感器。

电流传感器的过载能力参见图2。发生电流过载时，在测量范围之外，原边电流仍会增加，而且过载电流的持续时间可能很短，而过载值有可能超过传感器的允许值，过载电流值传感器一般测量不出来，但不会对传感器造成损坏。

霍尔效应传感器的精度取决于标准额定电流IPN。在+25℃时，传感器测量精度受原边电流影响的曲线如图3所示，使用下面公式可计算出精度：

⑶

其中，K=NS/NP。

计算精度时必须考虑偏移电流、线性度、温度漂移的影响。

⑴. 偏移电流ISO

偏移电流也叫残余电流或剩余电流，它主要是由霍尔元件或电子电路中运算放大器工作状态不稳造成的。电流传感器在生产时，在25℃，IP=0时的情况下，偏移电流已调至最小，但传感器在离开生产线时，都会产生一定大小的偏移电流。产品技术文档中提到的精度已考虑了偏移电流增加的影响。

⑵. 线性度

参见图4，线性度决定了传感器输出信号（副边电流IS）与输入信号（原边电流IP）在测量范围内成正比的程度，ABB公司的电流传感器线性度要优于0.1%。

⑶. 温度漂移

偏移电流ISO是在25℃时计算出来的，当霍尔电极周边环境温度变化时，ISO会产生变化。因此，考虑偏移电流ISO的最大变化是很重要的，这可以通过下式计算：

⑷其中，CV（Catalogue value）是指电流传感器性能表中的温度漂移值，例如：对CS2000BR型来说，CV为0.5×10-4/℃，最大温度Tmax为-40℃，额定输出电流为400mA，则偏移电流的最大变化为：Ma

ABB公司的传感器产品说明一般由“传感器产品型号”和“生产日期”两部分构成[5]。“传感器产品型号”用于标明传感器的型号、额定测量值、标准型或非标准型。“传感器生产日期”则是由8位数字构成，表明传感器的生产年份、日期（一年中的第几日）及传感器序列号。

ABB公司的传感器产品很多，每种传感器的外形结构、尺寸大小等都有所不同，下面介绍几种典型的外形结构及安装接线方法。

MP25P1电流传感器是ABB公司中一种量程很小的传感器，所能测量的额定电流为5、6、8、12、25A，原边管脚的不同接法可确定额定测量电流为多少，参见图5。

如MP25P1一样，一般传感器都有正极（+）、负极（-）、测量端（M）三个管脚，但ES300C则没有此三个管脚，而是有红、黑、绿三根引线，分别对应于正极、负极及测量端。同时在ES300C型传感器中有一内孔，测量原边电流时要将导线穿过该内孔。不管是MP25P1还是ES300C型等电流传感器，安装时管脚的接线应根据测量情况进行相应连线。

⑴在测量交流电时，必须强制使用双极性供电电源。即传感器的正极（+）接供电电源“+VA”端，负极接电源的“-VA”端，这种接法叫双极性供电电源。同时测量端（M）通过电阻接电源“0V”端。

⑵在测量直流电流时，可使用单极性或单相供电电源，即将正极或负极与“0V”端短接，从而形成只有一个电极相接的情况，其接法共有四种（见图6和图7）。

在传感器产品中，标有“-N”标志的表示该传感器没有电源意外倒置防护措施；标有“-P”标志的则表示该传感器具有防护措施。图6是无保护二极管时的单极性供电电源安装接线方法，图7是加有保护措施的传感器的接法。

⑶具有屏蔽作用的传感器的连接方法

ABB公司的部分电流传感器具有电磁屏蔽作用，其产品外壳上会多一个“E”标志的端口，其连接方式有两种：将屏蔽端和负极（-VA）或零线（0V）相连，如图8所示。

另外，安装时必须全面考虑产品的用途、型号、量程范围、安装环境等。比如传感器应尽量安装在利于散热的场合；如果环境只适于垂直安装，则必须选择带“V”字标志的传感器（如CS300 BRV）。

除了安装接线、即时标定校准、注意传感器的工作环境外，通过下述方法还可以提高测量精度：

1、原边导线应放置于传感器内孔中心，尽可能不要放偏；

2、原边导线尽可能完全放满传感器内孔，不要留有空隙；

3、需要测量的电流应接近于传感器的标准额定值IPN，不要相差太大。如条件所限，手头仅有一个额定值很高的传感器，而欲测量的电流值又低于额定值很多，为了提高测量精度，可以把原边导线多绕几圈，使之接近额定值。例如当用额定值100A的传感器去测量10A的电流时，为提高精度可将原边导线在传感器的内孔中心绕九圈（一般情况，NP=1；在内孔中绕一圈，NP=2；……；绕九圈，NP=10，则NP×10A=100A与传感器的额定值相等，从而可提高精度）；

4、当欲测量的电流值为IPN/5的时，在25℃仍然可以有较高的精度。

闭环霍尔效应电流传感器，利用了原边导线的电磁场原理。因此下列因素直接影响传感器是否受外部电磁场干扰。

⑴传感器附近的外部电流大小及电流频率是否变化；

⑵外部导线与传感器的距离、外部导线的形状、位置和传感器内霍尔电极的位置；

⑶安装传感器所使用的材料有无磁性；

⑷所使用的电流传感器是否屏蔽；为了尽量减小外部电磁场的干扰，最好按安装指南安装传感器。

电磁兼容性EMC，（Electro -Magnetic Compatibility）是研究电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的上述各种设备都能正常工作而又互不干扰，达到“兼容”状态的一门学科[8]。空间电磁环境的恶化越来越容易使电子元器件之间因互不兼容而引发系统的误动作，因此电工、电子设备电磁兼容性检测极有必要。由于实际生产、科研及市场推广的迫切需要，采用已通过电磁兼容性检测的电流和电压传感器已形成共识，并已成为一个强制性标准。ABB公司的所有电流传感器自1996年1月1日起，均已通过了EMC检测。

偏移电流必须在IP=0、环境温度T≈25℃的条件下进行校准，按图9方法（双极性供电）接线，且测量电压VM必须满足：

VM≦RM×ISO ⑸

在IP=IPN（AC or DC）、环境温度T≈25℃、传感器双极性供电、RM为实际测量电阻的条件下进行测量，其接线如图10所示，并用公式⑶计算精度。

ABB公司的传感器在测量电路短路、测量电路开路、供电电源开路、原边电流过载、电源意外倒置的条件下都可受到保护。对上述各项测试举例如下：

此项测试必须在IP=IPN、环境温度T≈25℃、传感器双向供电、RM为实际应用中的电阻条件下进行，连接图如图11

所示，开关S应在一分钟之内合上和打开。

此项测试条件为IP=IPN、环境温度T≈25℃、传感器双向供电、RM是实际应用中的电阻。测试图如图12，开关S应

在一分钟之内完成闭合/打开切换动作。

为防止电源意外倒置而使传感器损坏，在电路中专门加装了保护二极管，此项测试可使用万用表测试二极管两端，测试应在IP=0、环境温度T≈25℃、传感器不供电、不连接测量电阻的条件下进行。可使用以下两种方法测试：

第一种：万用表红表笔端接传感器“M”端，万用表黑表笔端接传感器“+”端；

第二种：万用表红表笔接传感器负极，万用表黑表笔接传感器M端；

在测试中，如万用表鸣笛，说明二极管已损坏。

一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大，分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微机电系统)传感器、生物传感器等新兴传感器。其中，无线传感器在2007-2010年复合年增长率预计会超过25%。

目前，全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。

什么是霍尔电压传感器

电压传感器有很多种，从测量原理上分可以有霍尔电压传感器，光电隔离电压传感器，电隔离电压传感器，电压互感器原理(电磁感应原理)等。霍尔电压传感器实际上是一种特殊的原边多匝的霍尔闭环电流传感器。原理图如下: 霍尔电压传感器的特点国内做霍尔电压传感器的厂家较多，我们以HV-C04、HV-C54为例霍尔电压传感器因为是基于霍尔闭环零磁通原理，所以可以测量直流电压，交流电压和混合波形的电压(参看图1原理图)。此特点区别于电磁隔离原理的电压互感器，电压互感器只能测量交流电压信号。因为是基于磁平衡霍尔原理，需要原边匹配一个内置或外置电阻，该电阻随着测量的电压量程增大，需要的阻值和功率也相应增大，甚至需要加散热片。因为原边采用多匝绕组，故存在比较大的电感，一般响应速度不高，频率范围有限。 霍尔电压传感器的分类霍尔电压传感器从安装方式上可以分为:基于PCB板安装基于螺钉固定安装导轨型安装 霍尔电压传感器的应用IGBT等开关功率器件共同构成了电力电子的核心。在UPS,电源，风电，铁路，太阳能等各行各业均有广泛应用。

国内生产霍尔电压传感器的厂家和型号众多，我们以HV-C04和HV-C54为例，列举霍尔原理的电压传感器的基本特性，如下:

霍尔电压传感器因为是基于霍尔闭环零磁通原理，所以可以测量直流电压，交流电压和混合波形的电压(参看图1原理图)。此特点区别于电磁隔离原理的电压互感器，电压互感器只能测量交流电压信号。因为是基于磁平衡霍尔原理，需要原边匹配一个内置或外置电阻，该电阻随着测量的电压量程增大，需要的阻值和功率也相应增大，甚至需要加散热片。因为原边采用多匝绕组，故存在比较大的电感，一般响应速度不高，频率范围有限。

需要电压测量的场合很多，因为霍尔电压传感器的特点是既能测量交流又能测量直流，所以应用的场合比较多，在大功率原件得到应用的今天，霍尔原理的电压传感器与霍尔电流传感器一起同IGBT等开关功率器件共同构成了电力电子的核心，在UPS，风电，铁路，光伏，整流，电镀等各行各业都有着广泛的应用。